Electrónica más eficiente para una sociedad neutra en carbono

Cuantificación de campos eléctricos en dispositivos semiconductores: el esquema muestra la distribución del campo eléctrico en el canal de un transistor de GaN; Los rayos láser resaltan la naturaleza de la técnica de segunda generación armónica (SHG) - YUKE CAO

   MADRID, 21 Jun. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de la Universidad de Bristol han descubierto un método que permitirá crear sistemas de comunicación más rápidos y una electrónica que ahorre más energía.

   El avance, presentado en Nature Electronics, se produjo al establecer por primera vez cómo medir a distancia el campo eléctrico dentro de un dispositivo semiconductor.

   Ahora, en este nuevo estudio los científicos describen cómo cuantificar con precisión este campo eléctrico, lo que significa que se pueden desarrollar dispositivos electrónicos de potencia y radiofrecuencia de próxima generación que tienen el potencial de ser más rápidos y fiables, así como más eficientes energéticamente.

   El diseño de dispositivos semiconductores puede ser por ensayo y error, aunque lo más habitual es que se base en una simulación del dispositivo que luego sirve de base para la fabricación de los dispositivos semiconductores para aplicaciones de la vida real. Cuando se trata de materiales semiconductores nuevos y emergentes, a menudo se desconoce el grado de precisión y corrección de estas simulaciones.

   El profesor Martin Kuball, de la Facultad de Física de la Universidad de Bristol, explica en un comunicado que "los semiconductores pueden conducir cargas positivas o negativas y, por tanto, pueden diseñarse para modular y manipular la corriente. Sin embargo, estos dispositivos semiconductores no se limitan al silicio, sino que hay muchos otros, como el nitruro de galio (utilizado en los LED azules, por ejemplo). Estos dispositivos semiconductores, que por ejemplo convierten una corriente alterna de una línea eléctrica en una corriente continua, suponen una pérdida de energía en forma de calor residual. Si pudiéramos mejorar la eficiencia y reducir este calor residual, ahorraríamos energía"

   "Se aplica un voltaje a un dispositivo electrónico, y como resultado hay una corriente de salida que se utiliza en la aplicación --prosigue--. Dentro de este dispositivo electrónico hay un campo eléctrico que determina el funcionamiento de este dispositivo y el tiempo que estará operativo y la calidad de su funcionamiento. Nadie ha podido medir realmente este campo eléctrico, tan fundamental para el funcionamiento del dispositivo. Siempre se ha recurrido a la simulación, en la que es difícil confiar si no se puede comprobar su exactitud".

   Para fabricar dispositivos electrónicos de buen rendimiento y larga duración con estos nuevos materiales es importante que los investigadores encuentren el diseño óptimo, en el que los campos eléctricos no superen el valor crítico que provocaría su degradación o fallo. Los expertos prevén utilizar materiales de reciente aparición, como el nitruro de galio y el óxido de galio, en lugar del silicio, lo que permitirá el funcionamiento a mayor frecuencia y a mayores voltajes, respectivamente, de modo que sean posibles nuevos circuitos que reduzcan la pérdida de energía.

   Este trabajo publicado por el grupo de la Universidad de Bristol proporcionará una herramienta óptica que permitirá medir directamente el campo eléctrico dentro de estos nuevos dispositivos. De esta forma, se podrá respaldar la futura electrónica de potencia eficiente en aplicaciones como las estaciones de energía solar o eólica que alimentan la red nacional, los coches eléctricos, los trenes y los aviones. La reducción de la pérdida de energía significa que las sociedades no necesitan producir tanta energía en primer lugar.

   El profesor Kuball señala que, "teniendo en cuenta que estos dispositivos funcionan a voltajes más altos, esto también significa que los campos eléctricos en los dispositivos son más altos y esto a su vez significa que pueden fallar más fácilmente. La nueva técnica que hemos desarrollado nos permite cuantificar los campos eléctricos dentro de los dispositivos, lo que permite una calibración precisa de las simulaciones de los dispositivos que, a su vez, diseñan los dispositivos electrónicos para que los campos eléctricos no superen los límites críticos y fallen".

   El profesor Kuball y su equipo tienen previsto trabajar con los principales interesados de la industria para aplicar la técnica al avance de su tecnología de dispositivos. En un contexto académico, colaborarán con socios del centro ULTRA del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), dotado con 12 millones de dólares, para utilizar esta técnica con el fin de hacer realidad la tecnología de dispositivos de banda ultraancha, lo que permitirá un ahorro energético superior al 10% en todo el mundo.

   "Este avance ayuda al Reino Unido y al mundo a desarrollar dispositivos semiconductores que ahorran energía, lo que supone un paso hacia una sociedad neutra en carbono", añade.